Аннотация: Почему почти все живые организмы стареют и умирают? Гипотетические причины описаны в этом тексте.
Эволюционная Теория Старения: Старость как Статистический Провал Отбора
Жить вечно (и при этом оставаться продуктивным, то есть иметь продуктивное потомство) - биологически выгодно, если учесть, что метафорическая задача генокода - забросить свои копии в будущее, примерно как компьютерный вирус распространяет свой код через сеть. Гены - изобретательные ребята: они используют минимальный интерфейс в виде вироидов, почти голой РНК, либо в виде более сложных носителей, а именно в виде вирусов и клеток. Чем больше копий кода, тем лучше для кода. Много копий = биологический успех.
Генокоды распространяют свои копии различными способами. Рабочий способ хорош, пока не перестанет работать. Например, небольшое число генов научились строить многоклеточные организмы - от губок и простейших червей до слонов и тараканов. Здесь задача та же: чем больше копий генокода попадет в будущее, тем лучше. Те, кто не обладал метафорическим стремлением распространяться во времени и пространстве, исчезли. Генокоды ведут себя практично - им надо копировать себя, иначе линия прервется.
Многоклеточные организмы решают задачу иначе, чем археи или бактерии: они дают потомство в виде детёнышей, семян или спор. Успешные многоклеточные организмы передают свои гены, увеличивая количество носителей генокода. Чем дольше организм живёт и даёт жизнеспособное потомство, тем лучше для кода.
Код по идее в течение жизни организма не меняется. Случаются соматические мутации, но для простоты мы их не рассматриваем. Основные изменения генокода происходят при зачатии - мутации и рекомбинации. В этом опусе мы сосредоточимся на регуляции экспрессии генов.
Гены создают клетки различных типов (кожа, печень, кости и пр.) через регуляцию экспрессии. Коротко: гены работают по-разному в разных частях организма, в разных условиях и на этапах развития. Алгоритмы, обеспечивающие это, сложнее любых компьютерных программ, и именно через него организм получает различные типы клеток и изменения, соответствующие этапам онтогенеза: борода не растёт у младенцев, лысина не появляется в юности. Ну, как правило.
Мы здесь исключаем соматические мутации и рассматриваем изменения режима генной экспрессии как основной материал, подвергающийся отбору на каждом этапе.
По умолчанию режимы экспрессии генов (до отбора, естесственно) хаотичны: природа ничего не планирует. Слепой часовщик Докинса или 'не тётка' Дробышевского - это про эволюцию. Рандомные изменения экспрессии, которые оказываются фатальными, ведут к гибели организма. Если переключение режима гена не смертельно, жизнь продолжается. А если смертельно, то не продолжается. Почти тавтология. Таким образом, отбор идёт не только по генокоду как таковому, но и по удачно реализованной экспрессии на этапах онтогенеза.
Для отбора нужны достаточные статистические самплы. Если в популяции всего три особи, одну съедает леопард, другая гибнет от голода, третья попадет под трамвай, и отбор становится невозможным: нечего "отбирать". Для 'экспрессионного' отбора нужны статистически значимые количества особей на каждом этапе.
Если популяция выживает нормально, то есть, не вымирает, то количество особей, способных пройти больше этапов онтогенеза без фатальных сбоев экспрессии, растёт. Соответственно, количество погибших из-за неудачной экспрессии со временем (то есть, с каждым поколением) уменьшается. Чем больше последовательных этапов проходят особи по мере смены поколений, тем успешнее генокоды.
Однако окружающая среда часто враждебна: детёныша может съесть соплеменник, укусить змея, он может погибнуть от голода или конкурентов. Ежегодная вероятность гибели может быть, например, 3%. До 70 лет из 100 особей доживёт около 12. (Эти цифры взяты с потолка для определеннотси). Достаточного статистического материала для отбора после этого почти не остается.
Рандомная экспрессия после прекращения отбора ввиду недостаточности сампла остаётся хаотичной. Даже если организм не съедят леопард или на него не упадет кирпич с баобаба, фатальный сбой регуляции может привести к гибели именно по причине сбоя в регуляции. Вот это и есть старость.
У стариков волосы не растут вовнутрь черепа и пятка не вырастает вместо сердца, но происходят иные неприятные изменения из-за отсутствия отбора на генные экспрессии. Теломеры, митохондрии и другие молекулярные процессы реально существуют, но в нашем опусе они не первопричина старения, а становятся фатальными лишь при потере системной устойчивости.
Докинс (в шутку) предлагает диванную схему: законодательно запретить рожать до 30 лет, через 5-6 поколений - до 40 лет. И так далее. Произойдет систематический отбор на долголение, и в теории люди через пару десятков тысяч лет, возможно, начнут жить до 500 лет. Теоретически возможно, но практически невозможно, так как людям хочется жить и рожать здесь и сейчас.
Есть задокументированные случаи доживания до 100+ лет и рождения детей от родителей старше 60. Удачное хаотичное переключение генов при недостаточном сампле может закрепиться.
Возраст, после которого индуцированная смертность снижает популяцию до критического уровня (например, 70 лет), - это точка прекращения отбора по экспрессии. Гены с антагонистической плейотропией остаются, и их эффекты проявляются, причем фатальным образом.
Классическая формулировка антагонистической плейотропии: "гены полезны в молодости, могут начать вредить в старости". Эта формулировка, к сожалению, циркулярна: по сути там сообщается, что старость наступает от наступления старости. На самом деле старость наступает потому, что гены перестают проходить отбор по качеству экспрессии. Рандомная экспрессия после 70 лет может оказаться фатальной.
Вот для наглядности - аллегория с шарами и жонглером: человек держит на ладони шар. Удерживать один - просто. Второй - всё ещё возможно. Третий требует больше координации, четвёртый - навыка, пятый, шестой... Рано или поздно даже профессиональный жонглёр не удержит конструкцию из десяти шаров, стоящих друг на друге, как раз в силу неустойчивого равновесия этой конструкции.
Каждый шар - этап онтогенеза и связанный режим генной экспрессии. Для жизни система должна оставаться функциональной на каждом этапе. Один фатальный сбой делает 'идеальную' работу последующих этапов бессмысленной.
С добавлением шаров требования к точности и согласованности растут, допустимый диапазон флуктуаций сужается. Даже без внешне индуцироанной гибели особи (кирпич упал на голову,например) вероятность утраты устойчивости увеличивается. Это не 'износ', а растущая сложность системы.
Статистический провал отбора на поздних этапах сочетается с ростом требований к регуляции, ограничивая максимальную продолжительность жизни.
Мы стареем не потому, что природа жестока, а потому что она равнодушна. Природе на нас наплевать. Отбор просто перестал смотреть в нашу сторону после определённого возраста. Когда леопарды и другие факторы уменьшали популяцию, отбор по экспрессии прекращался в виду недостаточности сампла. Всё, что происходило после - статистическое барахло. Если Homo erectus доживал до 200 лет, мы, возможно, тоже жили бы столько. Теперь мы расплачиваемся за его легкомысленное отношение к технике безопасности морщинами, артритами и длинными списками диагнозов.